底层土壤复杂聚合物和热源碳在模拟增温下快速损失

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尽管有证据表明，土壤对全球变暖的主要反应是异养呼吸的增加，但在评估全球变暖如何影响土壤碳储量方面仍有很多不确定性。其来一个不确定性来源是当前缺乏对底层土壤有机碳（SOC）动态的了解。

底层土壤储存了全球一半以上的SOC，而气候模型预测底层土壤将与空气和表层土壤几乎同步变暖。尽管底土的储量很大，但对底土的研究仍然不足，而且在增温研究中的代表性也很缺乏。

土壤中的碳动态受多种生物和非生物因素的调节，其中许多因素在表层土壤和底层土壤之间可能有所不同。例如，地上凋落物可能是表层土壤的重要碳输入，但随着土壤深度的增加，根系变得更加重要。

根据生物和非生物因素的不同，特定的分子结构可能会优先降解或积累，一些复杂的分子结构可能会在百年时间尺度上留在土壤中。对SOC分子组成的一个潜在的气候控制是温度，因为温度可能影响相对分解速率。

简单动力学理论预测，如果排除其他生物和非生物过程，与简单底物相比，复杂底物的分解对温度更敏感（即具有更高的活化能）。一项关于增温土壤中酶活的整合分析表明，原位增温促进了负责分解复杂底物的酶（木质素酶），而不是负责分解简单底物的酶（纤维素酶）。

如果在未来气候变暖的情况下，这种温度效应主导了生物和非生物因素对分解的不同影响，那么之前预计将长期保存在土壤中的复杂分子结构可能特别容易分解。

• 由于其多芳香族的化学结构，由不完全燃烧过程产生的热源碳（pyrogenic carbon, PyC）被认为是土壤中非常稳定的一种聚合物化合物。然而，最近的研究结果质疑了土壤中PyC达千年的持久性，发现PyC在世纪尺度上发生了周转，其平均停留时间仅为为非根际SOC的1.5倍。
• 由酚类结构组成的木质源的聚合物木质素（lignin），已被描述和建模为惰性碳库的一部分，但它也被发现很容易在土壤中降解。
• 植物源的可水解脂类的角质（cutin，来自维管束植物的角质层组织）和木栓质（suberin，来自木质组织），由于其化学结构和比土壤有机碳有更长的周转时间，被认为有利于碳封存。

更好地了解底层土壤聚合物SOC如何受温度升高的影响是至关重要的，尤其是当这种聚合物化合物被考虑用于碳封存目的时。

在本研究中，作者利用Blodgett森林全土壤剖面增温实验，评估了增温对不同深度的SOC库的组成和降解的影响。具体来说，研究利用生物标志物（木质素、可水解脂质以及苯多羧酸）评估了植物聚合物和PyC在4.5年连续增温后的变化。研究表明，之前被认为高度稳定的这些聚合物的碳实际上也容易因土壤变暖而损失。

实验样地 | Blodgett Forest全剖面土壤增温实验

研究发现，在实验增温下，底层土壤的聚合物SOC大量损失，但表层土壤的无影响。在0 ~ 20 cm深度的表层土壤中，PyC、木质素和可水解脂质的绝对浓度在增温和对照样地之间没有显著差异（图1a-c）。

相比之下，在20 ~ 90 cm深度的底层土壤中，增温导致了聚合物碳的损失，凸显了气候变化下底层土壤碳分解的脆弱性。经过4.5年的增温，底层土壤的PyC的绝对浓度降低了37 8%（图1a），木质素含量降低17 0%（图1b），可水解脂质含量降低28 3%（图1c）。

图1 不同深度的PyC和植物聚合物丰度随变暖的变化。PyC（a）、木质素（b）和可水解脂质（c）。图中显示的值是增温与对照样地之间的差异，以百分比表示，即(增温-对照)/对照 100%，黑色方块表示平均值(n = 3)，灰色圆圈表示单个数据点。误差条表示标准误(s.e.m.)。

进一步分析发现，聚合物SOC在增温下并没有被优先保存或损失。在模拟增温下，聚合物SOC的损失程度与非根际SOC的损失程度（33%）相当。聚合物浓度与SOC浓度密切相关（图2）。使用SOC浓度对PyC（图2a）、木质素（图2b）或可水解脂类（图2c）进行归一化后发现，增温和对照样地底层土壤的聚合物的归一化浓度并没有差异。因此表明，这些聚合物在增温下没有被优先保存或损失。

图2 底层土壤SOC和聚合物浓度之间的相关关系。PyC（a）、木质素（b）和可水解脂质（c）。

研究发现，实验增温导致土壤中复杂聚合物（PyC、木质素和水解脂类）的快速损失，而且其损失程度与非根际SOC的损失程度相当。研究暗示，在增温下由于微生物活性的提高，不仅简单和不稳定的化合物，而且复杂的聚合物有机碳也可能会损失。

土壤有机碳分解的脆弱性受一系列生物和非生物生态系统特性的控制，而不仅仅是单个酶促反应的动力学。例如，土壤有机质的物理状态——如自由的颗粒有机质(POM)、封闭POM或矿物相关有机质——对分解速率有影响。

研究样地主要是自由POM的损失，其它物理形式的有机质变化不大；由于植物源性成分对POM起主导作用，所以底层土壤中损失的PyC和植物源聚合物可能是POM的一部分。研究中底层土壤聚合物有机碳在增温下中容易分解，可能是因为它主要存在于未受保护的POM中。

研究强调，在预测气候变暖下的SOC动态时，必须分别考虑表层土壤和底层土壤，因为不同SOC化合物的温度敏感性随土壤深度而变化。

本研究所分析的聚合化合物没有一个在增温的底层土壤中是耐热的，而且这些化合物与（非根际的）SOC同步分解。这些发现表明，SOC没有固有的稳定性，其稳定性取决于生态系统特性，而生态系统特性也随土壤深度的变化而变化。这项研究为理解碳封存方法中所考虑的化合物的长期命运提供了至关重要的知识。